一、概述

單光子激光雷達(dá)具有極高的探測(cè)靈敏度，但也極易受到背景噪聲光子的干擾，這在很大程度上降低了其白天的探測(cè)性能，限制了其適用范圍。本文對(duì)全天時(shí)單光子激光雷達(dá)探測(cè)性能進(jìn)行了分析，提出了一種新型的激光雷達(dá)背景噪聲抑制技術(shù)，能夠極大的提升單光子激光雷達(dá)在白天的探測(cè)性能。同時(shí)，本文還提出了一種普適性的ROI評(píng)價(jià)指數(shù)，能夠極為直觀的對(duì)各種激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

二、研究背景和意義

激光雷達(dá)作為一種高精度，高時(shí)間分辨率的主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于遙感、空間目標(biāo)探測(cè)、高分辨率三維成像等諸多領(lǐng)域。而單光子激光雷達(dá)（又稱光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)）以時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（Time-Correlated Single-PhotonCounting, TCSPC）機(jī)制，結(jié)合具有單光子級(jí)靈敏度的探測(cè)器件，能夠?qū)O微弱的回波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，從而獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，成為了激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的前沿和發(fā)展趨勢(shì)。然而，受限于探測(cè)器的死時(shí)間效應(yīng)及其本身的概率檢測(cè)機(jī)制，單光子探測(cè)極易受到噪聲光子的干擾，尤其是白天工作時(shí)，除了信號(hào)回波外，由太陽(yáng)輻射引起的散射的光子，不可避免的進(jìn)入系統(tǒng)的接收視場(chǎng)內(nèi)，成為背景噪聲，進(jìn)而使其探測(cè)性能急劇下降。因此，對(duì)全天時(shí)單光子探測(cè)性能進(jìn)行分析，提高其白天探測(cè)能力對(duì)于拓展單光子探測(cè)技術(shù)的適用范圍具有十分迫切的需求和極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另外，為了能夠更為直觀的對(duì)同等系統(tǒng)資源需求下激光雷達(dá)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文還提出了一種普適性的評(píng)價(jià)模型，即激光雷達(dá)系統(tǒng)的“投資回報(bào)率”ROI指數(shù)(Return On Investment)。該指數(shù)將激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，以此來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)是否更為“經(jīng)濟(jì)”，能夠極為直觀的對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。

三、全天時(shí)單光子激光雷達(dá)探測(cè)

背景光噪聲抑制技術(shù)是提升激光雷達(dá)全天時(shí)工作能力的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)更好的光譜濾波，我們采用反射式布拉格光柵作為核心濾波器件，搭建了一個(gè)超窄帶光譜濾波系統(tǒng)(Ultra-narrowband Spectral Filtering System，UNSFS)，該系統(tǒng)的濾波帶寬約為50pm，透過(guò)率約為85%，中心波長(zhǎng) 1029nm。同時(shí)，采用波長(zhǎng)為 1029nm的 Yb:YAG 窄線寬脈沖激光器作為激光雷達(dá)光源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光重復(fù)頻率為1.6kHz，單脈沖能量為20μJ，發(fā)射束直徑為1mm。光學(xué)接收孔徑為25mm，接收視場(chǎng)為1.3mrad。透鏡收集的光線通過(guò)針孔后進(jìn)入U(xiǎn)NSFS，濾波后透射光線耦合到芯徑為100μm的多模光纖中，然后進(jìn)入單光子探測(cè)器。激光的發(fā)射和接收光束由帶有中心孔的反射鏡進(jìn)行空間合束，在中心孔旁邊放置PIN探測(cè)器，作為發(fā)射脈沖同步信號(hào)源。

圖1單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完成雷達(dá)系統(tǒng)搭建后，我們首先進(jìn)行了單點(diǎn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選擇為實(shí)驗(yàn)室所能觀測(cè)到最遠(yuǎn)的目標(biāo)，成都市東側(cè)的龍泉山脈，從地圖上得知該山脈距離實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的直線距離約為25km。實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，能見(jiàn)度約22km。從上午10點(diǎn)到晚上10點(diǎn)，每小時(shí)進(jìn)行一次探測(cè)，探測(cè)積累時(shí)間為1s（1600次），時(shí)間門寬度為16ns，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2單點(diǎn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a 為下午3點(diǎn)激光雷達(dá)回波光子計(jì)數(shù)距離直方圖；b 為全天背景噪聲計(jì)數(shù)率統(tǒng)計(jì)）

由圖可見(jiàn)，在強(qiáng)烈背景光條件下，激光雷達(dá)系統(tǒng)也擁有非常高的信噪比，全天最大的背景噪聲計(jì)數(shù)率僅為119kHz，遠(yuǎn)低于其他的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)（一般為幾兆Hz量級(jí)或者更多），系統(tǒng)擁有良好的日間工作能力。我們還進(jìn)行了對(duì)城市區(qū)域的快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)，掃描的目標(biāo)我們選擇了成都市的地標(biāo)建筑，成都金融城雙子塔，該建筑有著較為明顯的幾何特征。實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇在下午四點(diǎn)陽(yáng)光強(qiáng)烈的時(shí)刻，當(dāng)天能見(jiàn)度約為10km，整個(gè)掃描視場(chǎng)為1°×1°,掃描的圖像分辨率為100×141。得益于本系統(tǒng)優(yōu)異的背景噪聲抑制能力，使得整個(gè)探測(cè)掃描的時(shí)間大為縮短，這對(duì)于遠(yuǎn)距離三維成像來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。整個(gè)掃描時(shí)間為85s，單點(diǎn)累加時(shí)間約為6ms。掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中（a）為在實(shí)驗(yàn)室由光學(xué)相機(jī)拍攝得到的目標(biāo)照片，紅色線框?yàn)榧す饫走_(dá)掃描區(qū)域；（b）為掃描全景三維點(diǎn)云圖像；（c）為單個(gè)像素在 6ms 累加時(shí)間下的光子計(jì)數(shù)直方圖；（d）為7.1-7.7km 遠(yuǎn)景三維點(diǎn)云圖；（e）為3.5-4.2km 近景三維點(diǎn)云圖；（f）和（g）分別為近景和遠(yuǎn)景區(qū)域頂視圖。從結(jié)果中可以看出，整個(gè)點(diǎn)云圖分布在3.5-7.7km 范圍，能夠非常精細(xì)的展示出雙子塔的表面輪廓（細(xì)節(jié)處有穿透成像），同時(shí)前方建筑群的細(xì)節(jié)也能夠得到有效的展現(xiàn)。這證明了該系統(tǒng)能夠出色完成日間強(qiáng)烈背景光條件下的快速三維成像。

四、激光雷達(dá)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，增加接收光學(xué)孔徑和發(fā)射激光功率總是可以獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但這不可避免地會(huì)帶來(lái)對(duì)系統(tǒng)資源的更多需求，給雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。這里我們引入經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念。體積、重量、功耗等系統(tǒng)資源對(duì)于一臺(tái)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為是各種“投資”，而“回報(bào)”就是最大探測(cè)距離。在經(jīng)濟(jì)學(xué)上，人們追求更高的投資回報(bào)率(Return On Investment，ROI)，對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)，同樣也應(yīng)如此。由此，我們可以通過(guò)在單位接收面積、單位發(fā)射功率和單位探測(cè)時(shí)間下的系統(tǒng)最大探測(cè)距離平方來(lái)得到激光雷達(dá)的 ROI 指數(shù)，以如下形式給出：

式中Z是激光雷達(dá)的最大探測(cè)距離，AR是系統(tǒng)有效光學(xué)接收面積，P是激光發(fā)射的平均功率，T是單像素的探測(cè)累積時(shí)間（對(duì)于N×M面陣探測(cè)激光雷達(dá)，其單像素探測(cè)時(shí)間為T/(N×M)），ET是激光單脈沖能量，N為每個(gè)像素的脈沖累積次數(shù)（對(duì)于線性探測(cè)激光雷達(dá)，N=1）該指數(shù)可以認(rèn)為是激光雷達(dá)系統(tǒng)的“投資回報(bào)率”。顯然，ROI指數(shù)越高，激光雷達(dá)的探測(cè)效率就越高，或者說(shuō)激光雷達(dá)探測(cè)更為“經(jīng)濟(jì)”。上文提出的新型單光子激光雷達(dá)的 ROI指數(shù)為6.03E14，是一個(gè)相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。

五、結(jié)論

對(duì)于全天時(shí)工作的單光子激光雷達(dá)，條件允許時(shí)，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器會(huì)有較大優(yōu)勢(shì)，除此之外，綜合考慮目前的器件水平以及日光輻射、大氣散射等影響，采用1μm波段作為探測(cè)波長(zhǎng)和硅基的單光子探測(cè)器，會(huì)帶來(lái)更好的探測(cè)性能。

本文采用一種新型的超窄帶光譜濾波技術(shù)搭建了一套新型的全天時(shí)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)。利用該激光雷達(dá)在城市復(fù)雜大氣環(huán)境中完成了24.35km的測(cè)距與全天時(shí)噪聲水平的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。隨后完成了 3.2-7.7km的高動(dòng)態(tài)快速三維掃描成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在強(qiáng)烈背景光條件下出色的完成探測(cè)任務(wù)，能夠極大的提升單光子激光雷達(dá)的全天時(shí)探測(cè)能力，為白天工作的激光雷達(dá)提供了一種新的實(shí)用解決方案。

此外，為了對(duì)實(shí)際激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，類比經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“投資回報(bào)率”概念，本文提出了一種激光雷達(dá)評(píng)價(jià)模型，即ROI指數(shù)，該指數(shù)能夠十分直觀的對(duì)各種激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可作為一種通用的激光雷達(dá)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的新型單光子激光雷達(dá)的ROI指數(shù)為6.03E14，是一個(gè)相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。

作者簡(jiǎn)介

第一作者：劉博，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”A 類海外引進(jìn)人才，四川省“千人計(jì)劃”特聘專家，中國(guó)科學(xué)院空間光電精密測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教學(xué)委員會(huì)委員、主講教授。主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)探測(cè)與通信，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)并完成多項(xiàng)國(guó)家重大科研項(xiàng)目，在激光探測(cè)研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)顯示度成果。

審核編輯：郭婷